N掺杂对V-Al-C涂层微观结构、力学及摩擦性能的影响

• 作者: 冯再新 柯培玲 汪爱英 王振玉 王鑫
• 来源期刊: 金属学报
• 学科: 工学
• 关键词: V-Al-C涂层 V-Al-C-N涂层 纳米复合结构 韧性 摩擦性能
• 年，卷（期）: 2017,（6）
• 页码范围: 709-718
• 页数: 10页
• 分类号: TB3
• 语种: 中文
• DOI: 10.11900/0412.1961.2016.00523

摘要

采用磁控溅射技术在Si片(100)和高速钢上制备V-Al-C和V-Al-C-N涂层,利用XRD、XPS、SEM、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对比分析了涂层的相结构、化学组成、表面形貌、断面结构、力学性能以及不同介质中(大气、去离子水和海水)涂层的摩擦学性能.结果表明,V-Al-C涂层呈柱状晶结构生长,晶粒粗大;N的引入阻碍V-Al-C涂层的柱状晶结构生长,结构致密化,晶粒尺寸减小,形成非晶碳包裹纳米晶的纳米复合结构,使硬度从(14±0.48) GPa增加到(24.5±0.8) GPa,韧性得到大幅提高(H/E＞0.1).大气干摩擦条件下,V-Al-C涂层摩擦系数为0.70,引入N后摩擦系数降为0.42,这主要是由于在摩擦过程中V-Al-C-N涂层生成了具有润滑效果的V2O5,在非晶碳与V2O5耦合润滑作用下,涂层摩擦系数降低了40％;对于同一涂层,在去离子水和海水环境下的摩擦系数较大气干摩擦条件下降低,主要原因为:前者吸附的水分子可形成边界润滑作用.海水环境摩擦时,海水中Mg2+、Ca2-生成Mg(OH)2、CaCO3,均可提供进一步润滑效果,摩擦系数最低.3种环境摩擦过程中,30 min后V-Al-C涂层均因严重的磨粒磨损致磨穿而失效,且在腐蚀和磨损的协同作用下,海水环境中的磨损率最高.使用N掺杂制备的V-Al-C-N涂层均显示出良好的抗磨损性能,在干摩擦时磨损率为3.0×10-16 m3/(N·m),在海水中为1.4×10-15m3/(N·m).